一文读懂石英晶体微天平(QCM)的工作原理

石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance，简称QCM）是一种基于压电效应的高灵敏度质量检测技术，核心通过测量石英晶体振动频率的变化，精准量化其表面微小质量的吸附、脱附或沉积，检测精度可达纳克级甚至皮克级，相当于能感知 “单分子层厚度” 的质量变化，广泛应用于材料科学、生物医学、环境监测、真空镀膜等领域。

一、核心工作原理：从 “压电效应” 到 “质量 - 频率关联”

QCM 的核心是AT 切型石英晶体，*常用切型，频率稳定性高，其工作逻辑基于两个关键物理现象：

1.压电效应：石英是典型压电材料

逆压电效应：对晶体施加交变电场时，晶体会沿特定方向产生周期性机械振动；

正压电效应：若晶体表面吸附质量，或受机械应力，振动频率会变化，同时晶体表面产生交变电荷。

当外加电场频率与晶体 “固有共振频率” 一致时，晶体进入谐振状态，振动幅度*大、能量损耗*小，此时频率信号*稳定。

Sauerbrey 方程（定量核心）：1959 年由物理学家 Günter Sauerbrey 推导，明确了 “晶体共振频率变化（Δf）” 与 “表面吸附质量变化（Δm）” 的线性关系，是 QCM 定量分析的基础

二、QCM 的核心结构：4 大模块协同实现 质量→信号 转换

典型 QCM 系统由以下关键部分组成，共同完成 “质量变化→频率变化→电信号→数据输出” 的全过程：

三、典型应用场景：从科研到工业的多领域覆盖

材料科学：监测薄膜沉积速率，如真空镀膜中金属、氧化物薄膜的生长过程、涂层附着力与厚度均匀性。

生物医学：分析生物分子相互作用，如抗原 - 抗体结合、蛋白质 - DNA 结合、细胞黏附与增殖、药物筛选-检测药物与靶点的结合能力。

环境监测：实时检测空气中的颗粒物，如 PM2.5、挥发性有机物（VOCs）吸附量，或水中重金属离子、污染物浓度。

能源领域：研究电池电极材料的充放电过程，如锂离子嵌入 / 脱嵌导致的质量变化、燃料电池催化剂的稳定性。

食品工业：快速检测食品中的微生物，如大肠杆菌、过敏原，如牛奶蛋白，或监测食品包装的气体透过率。

四、常见品牌及型号

美国 SRS（Stanford Research Systems）的QCM200 是一款性价比高、易用且文档完善的台式 QCM，适合教学与常规科研；若需要更高频率稳定度或 “频率 + 耗散（QCM-D）”，建议优先评估 QCM200 的扩展方案或同级竞品。国内可通过授权代理渠道采购，支持现货与配套服务。

1.核心参数与适用场景

1. 基础配置：内置频率计与电阻计，RS-232，Win/Mac 软件，可与恒电位仪联动（Analog out）。

2. 灵敏度与下限：5 MHz AT-cut 晶体，纳克级质量分辨率，适合单分子层量级吸附 / 沉积的实时监测。

3. 稳定性：可外接 10 MHz 高精度时基（如铷钟）提升长期稳定度，适配长时间实验。

4. 负载与溶液：可在高甘油等高损耗体系中维持振荡，适合黏弹性膜 / 高黏液体场景。

5. 应用覆盖：免疫传感、蛋白质吸附、自组装膜、薄膜生长、腐蚀 / 氧化、LB 膜等。

2.购买渠道：

美国 SRS（Stanford Research Systems）授权代理 / 经销商：先锋科技提供现货、报价、安装培训与售后，缩短货期与沟通成本。